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VirtualLab 虚拟仿真在物理光学中的应用研究 随着光学和计算机技术的日趋发展和相互融合， 计算机虚拟仿真技术在光学系统设计、光学建模、光学教学等领域越来越发挥其重要的作用. 近年来相继推出了一批功能强大、应用面广的专业光学软件， 大大提高了光学分析与系统设计的效率， 可以便捷、高效地设计性能优异的光学系统与器件. 如基于经典光学和现代光学基本原理的光学设计类软件， 主要有ZEMAX、CODE V、OSLO 等; 基于导波光学和光通信理论的光通信类软件， 主要有OptiBPM、Beamprop 等光波导设计软件及OptiSystem 等光通信系统仿真软件; 照明系统设计软件ASAP、Lighttools、TRACEPRO. 此外， 其它一些计算软件也可用于光学研究领域， 如数学软件Matlab 在光信息处理中的应用. 而VirtualLab则是目前非常受人瞩目的一款功能强大的光学系统仿真设计软件， 它在光学理论研究及应用领域可完成精确而快速的设计或虚拟仿真， 在光学教学过程中也可发挥其它软件所不具备的独特作用。 1 .VirtualLab 中的光学虚拟仿真功能 VirtualLab 是由德国LightTrans 公司研发的一款光学建模和系统设计分析软件， 它基于电磁场核心理论， 通过求解Maxwell 方程组获得整个光学系统在空间各个部分的光波场矢量信息， 即场追迹. 该系统内核运用了有限元FEM 数值计算方法和计算机图像处理技术， 在图形化的交互窗口中统一用Light Path 流程图的形式进行光学系统的建模与仿真分析， 其中的光源、光学元件、探测器都可以在光学元件库中灵活调用， 并且能随时对其各种光学特性参数进行设置和编辑， 是一个统一化的光学建模与分析平台. VirtualLab 兼容了几何光学、平面波角谱法、Fresnel 近轴近似、Fourier模态法、光束传播方法、ABCD 矩阵传输等多种模拟技术， 对光学系统的不同介质区域， 可自动选择传输模拟技术， 也可由用户根据需要自主设置传输方式. 由于VirtualLab 系统是基于光的电磁波描述和Maxwell 电磁场理论， 所以能够实现对光波场的完整描述. 在该平台上构建的光学系统中，包括空间任何位置在各个矢量方向上的振幅、相位和偏振等光场数据都可以通过探测器测得， 因而能为光学系统的建模和设计提供极大的准确性和灵活性. 在VirtualLab 中， 提供了基本工具箱(Starter Toolbox)、衍射光学工具箱(Diffraction OpticsToolbox)、光栅工具箱(Grating Toolbox)、激光谐振腔工具箱(Laser Resonator Toolbox)、光源工具箱(LightingToolbox)等， 这些丰富而又功能强大的工具箱使得光学系统的建模和设计更简单、准确和机动. 其中的基本工具箱是统一建模的平台， 适用于各种光学系统分析， 用于构建和分析多种光学系统， 该工具箱可用来定义光源、平面波、球面波以及它们通过镜片、非球面界面、从ZEMAX 导入的透镜系统、折射率调制器件、光阑、光栅和衍射器件的传播， 探测器则可以探测光场的各种数据; 衍射光学工具箱能实现光束整形设计、光束分束器设计和扩散器设计， 并且能对输出光场的衍射效率、信噪比、均匀误差等做出评估; 光栅工具箱包含有多种类型的光栅可供选用， 这为分析光栅和光子晶体提供了很好的支持， 利用该工具箱可分析远场衍射和近场衍射以及衍射效率;激光谐振腔工具箱主要用于激光谐振腔的建模和设计， 以及分析激光模式传播. 2. VirtualLab 虚拟仿真在物理光学中的应用 物理光学是从事光学及相关领域研究工作的基础， 也是现代光学的基础. 物理光学中既包含有丰富而又抽象的数理知识， 又涉及诸多复杂的实验过程. 光学虚拟仿真实验平台软件VirtualLab 利用先进的计算机数值模拟技术将物理光学中众多具有复杂、抽象概念的实验系统， 通过简单的流程图操作形式进行建模， 可以快速、准确地实现对复杂光学实验过程的仿真与分析研究。 2.1 光的干涉的虚拟仿真 在VirtualLab 中， 可以实现对任意两列光波相干叠加的干涉场的仿真， 也可以对迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪、F-P 干涉仪等干涉系统进行仿真分析.这里以平面波和球面波的干涉为例， 来实现对两列相干光波的干涉仿真. 图1 是在VirtualLab中搭建的平面波和球面波干涉系统光路流程图. 将入射的平面光波通过一分束器分解为两部分， 一部分经一线性相位调制器后形成一个倾斜的平面波， 另一部分经一球面相位调制器后形成一个球面波. 将调制后的平面波和球面波在虚拟屏上叠加， 即可观